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作者：謝小青1   孫衛(wèi)平2

1.  上海電氣凱士比核電泵閥有限公司

2. 中國船舶重工集團公司第704研究所

摘　要：一臺設(shè)計制造精良的高品質(zhì)產(chǎn)品，如果得不到適當(dāng)?shù)木S護，那么在其整個生命周期內(nèi)的故障率將大大增加。文章將結(jié)合工程實際應(yīng)用經(jīng)驗，就離心泵維護方式的現(xiàn)狀及未來進行探討，并給出個人建議，僅供廣大用戶參考。

關(guān)鍵詞：離心泵  維護  現(xiàn)狀  未來

0. 引言

一臺設(shè)計制造精良且完全滿足現(xiàn)場運行工況要求的高品質(zhì)產(chǎn)品，如果得不到適當(dāng)?shù)木S護，那么在其整個生命周期內(nèi)故障的頻率將大大增加，而零部件的使用壽命則大大降低。

本文將結(jié)合工程實際應(yīng)用經(jīng)驗和現(xiàn)代科技的發(fā)展，從常見的現(xiàn)場維護著手，就離心泵維護方式的現(xiàn)狀及未來進行探討，并給出個人建議，供廣大用戶參考。

1. 常見的維護方式

離心泵常見的維護方式有三種：反應(yīng)式維護、預(yù)防性維護和預(yù)測性維護。

設(shè)備已經(jīng)失效，進行事故后維護。傳統(tǒng)的維護方式多為反應(yīng)式維護。

1.2 預(yù)防性維護

通過采取適當(dāng)?shù)拇胧ㄈ缣岣邚姸?、加強檢測等），以防止設(shè)備發(fā)生故障。預(yù)防性維護還包括各種定期維護，如設(shè)備對中、軸承潤滑及儀控儀表的檢查等。

預(yù)測性維護是指使用數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)和統(tǒng)計算法來預(yù)測系統(tǒng)最可能發(fā)生的故障結(jié)果。分析監(jiān)控裝置收集的設(shè)備數(shù)據(jù)，例如傳感器（有線或無線），以便就何時應(yīng)更換或維護指定的零部件提供一致的預(yù)測，從而優(yōu)化維護成本和停機時間^[1]。

預(yù)測性維護是基于狀態(tài)的維護的一個分支，即通過監(jiān)測設(shè)備隨時間而變化的狀態(tài)，以預(yù)測何時、何處可能出現(xiàn)問題以及為什么。在產(chǎn)品出現(xiàn)故障、意外停機之前對產(chǎn)品進行維護，這是制造業(yè)所追求的終極目標(biāo)。

2. 維護方式的確定

不同行業(yè)、不同工況用泵的維護方式不盡相同。

維護方式主要由泵（在系統(tǒng)中）的重要程度及價值、用戶或市場要求等因素決定的。泵的重要程度通常按以下情況來劃分。

1）如果該泵發(fā)生故障，可能會造成一定的經(jīng)濟損失，如生產(chǎn)線停工、泵部分零部件損壞（和/或備件交貨期較長）。

2）現(xiàn)場無人看管或看管不便（如海上平臺用泵、野外輸油泵站等）。

在一些不重要的工況中使用的泵，如普通農(nóng)用泵等。

對于重要、較重要用泵或有特別要求的泵（及系統(tǒng)），通常要進行重點關(guān)注和特別維護；而對于非重要用泵，通常只進行相對簡單的維護、甚至不需要維護。

以下將就重要、較重要用泵或有特別要求的泵（及系統(tǒng)的）維護方式進行探討。

3. 維護方式的現(xiàn)狀

目前，我國離心泵維護方式基本上為兩種：反應(yīng)式維護和預(yù)防性維護。反應(yīng)式維護主要針對一些普通的、沒有安裝監(jiān)測裝置的非重要用泵上，如：普通農(nóng)田灌溉和排澇用泵、冷卻循環(huán)水泵等。

在石化行業(yè)的實際工程應(yīng)用中，對于很多重要用泵（如高溫、高壓、高速泵，執(zhí)行API 610標(biāo)準(zhǔn)^[2]，以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”），通常通過提高強度及可靠性、增加機械保護系統(tǒng)、加強定期日常維護的方式來達到預(yù)防性維護。具體措施如：

1） 提高強度及可靠性

標(biāo)準(zhǔn)條款6.3.3 壓力泵殼應(yīng)設(shè)計成：

a) 在同時承受最大允許工作壓力（及最高工作溫度）和表5中列出的作用到每個管口上兩倍允許管口負荷的最壞組合情況下，做到運轉(zhuǎn)無泄漏或旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間無接觸。

b) 經(jīng)得住水壓試驗。

標(biāo)準(zhǔn)附錄K.1：給出了OH2和OH3型懸臂式泵的軸剛性的判定原則以及撓性系數(shù)L³/D⁴與泵尺寸因子的關(guān)系圖。

撓性系數(shù)是轉(zhuǎn)子剛度的度量標(biāo)準(zhǔn)。對于某一尺寸因子的懸臂泵，如果其撓性系數(shù)位于剛性線之下，則表明該泵為剛性軸設(shè)計，滿足API泵要求，是安全的；L³/D⁴越小，轉(zhuǎn)子撓度越小，這有利于提高機械密封的可靠性。如果L³/D⁴太大，特別是在接近泵關(guān)死點位置運行、水力徑向負荷過大的地方，可能會造成斷軸的風(fēng)險。

如何提高產(chǎn)品的可靠性？這里有一些指導(dǎo)性原則^[3]：

• 盡量采用經(jīng)過驗證的成熟的技術(shù)。

• 盡可能簡化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量。

• 盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊結(jié)構(gòu)。

• 設(shè)置故障監(jiān)測和診斷裝置。

• 給出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計裕度。

• 必要時采用冗余設(shè)計。

• 失效安全設(shè)計。

• 加強重要零部件的可靠性分析。

• 進行可靠性確認試驗。

2） 機械保護系統(tǒng)

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展、設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集的使得，預(yù)防性維護便成了目前最普遍的一種維護方式。

為了提高運行可靠性，在一些重要用泵（組）上，均裝有（感知、測量、監(jiān)測和顯示機器參數(shù)以表明其運行狀態(tài)的）機械保護系統(tǒng)，如軸承溫度監(jiān)測、軸承座或泵軸振動監(jiān)測等。當(dāng)一個參數(shù)超過預(yù)先定義的限值、表明出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會將事件傳達給操作人員和/或停機系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是減輕對機器的損壞。

注：此處涉及的條款、表及圖號均指API610第11版標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的條款、表及圖號。

3） 定期維護

定期維護可以延長泵的使用壽命。當(dāng)泵得到正確的維護時，需要更換的零部件通常是較便宜的易損件。以下為重要用泵的定期維護計劃示例，見表1。

表1. 定期維護計劃示例（試運行/啟動后或備用狀態(tài)時）

對于一些重要、較重要或有特別要求的離心泵（及系統(tǒng)），國內(nèi)外均普遍采用預(yù)防性維護。但也有不少泵公司開始在離心泵上嘗試進行預(yù)測性維護。現(xiàn)階段，預(yù)測性維護都是以傳感器提供的實時和大量歷史數(shù)據(jù)作為依據(jù)。

1） 德國KSB公司

德國KSB公司2018年底推出了一款結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、被稱為“KSB Guard”的新型監(jiān)控裝置，容納了溫度和振動兩種監(jiān)測。該裝置包括三個組件：傳感器單元（采集數(shù)據(jù)）、變送器和電池單元（通過電纜與傳感器單元連接，并向傳感器供電）、網(wǎng)關(guān)（使用無線連接，將記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)）。

KSB Guard不僅限于能提供當(dāng)前溫度和平均振動速度值，還可以顯示趨勢。由于每小時進行一次測量（或者如果需要，則可以更頻繁地進行測量），從而能夠識別泵狀態(tài)的任何變化、進行預(yù)測維護。

2） 美國Flowserve公司

開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序 - IPS觀察平臺和Flowstar.net，可以實現(xiàn)：通過簡化的示意圖查看性能狀態(tài)；監(jiān)控實時設(shè)備性能；進行預(yù)測分析；基于事實和可證實數(shù)據(jù)的糾正措施建議；回顧設(shè)備歷史信息；管理設(shè)備更換、維修、保養(yǎng)、調(diào)整的時間及成本等。

3） 挪威Framo公司

2018年，F(xiàn)ramo公司為Aker BP公司提供的用于Ivar Aasen油田的智能海水提升泵，基于傳感器提供的大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在工業(yè)AI軟件公司Cognite算法的支持下，可以預(yù)測設(shè)備的狀況、預(yù)見未來泵將發(fā)生的情況，從而增加泵的正常運行時間，并對其進行預(yù)測性維護。

4.  維護方式的未來

隨著預(yù)測分析軟件、無線傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算以及其它信息技術(shù)的不斷進步，加上中國制造2025（互聯(lián)網(wǎng)+制造）的日益普及，正在推動著工業(yè)世界進行一場深刻的變革，傳統(tǒng)的離心泵行業(yè)也開始變得不平靜。這些技術(shù)拓寬了實時性能監(jiān)測和機器對機器通信的范圍，同時反過來又支持了預(yù)測性維護方法的發(fā)展。預(yù)測性維護將成為一種趨勢，并最終會成為維護方式的未來。

預(yù)測性維護需要設(shè)備實時數(shù)據(jù)和大量歷史數(shù)據(jù)的支撐，而數(shù)據(jù)的獲取離不開各種傳感器，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)便應(yīng)運而生。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：一種測量指定機器過程參數(shù)和預(yù)測趨勢的系統(tǒng)。提供報警、顯示和分析工具，用于檢測和識別發(fā)展中的故障。允許繼續(xù)監(jiān)視檢測到的故障以確定其傳播和嚴重性。也可用于管理機器的運行狀態(tài)，以減少因發(fā)展中的故障而產(chǎn)生的意外停機。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)是最大程度地提高可用性，同時降低運營和維護成本。

過去，從離心泵及其驅(qū)動設(shè)備上收集數(shù)據(jù)需要花費大量的時間。隨著傳感器及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器應(yīng)運而生，實時體現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集變得越來越簡單且自動化。離心泵的運行狀態(tài)可以通過監(jiān)測到的許多跡象來評估。

離心泵最常見的問題是軸承故障、軸封失效和性能不足。軸封失效可能的根本原因是軸偏轉(zhuǎn)或泵振動；而造成軸偏轉(zhuǎn)或泵振動的原因可能是不對中、松動、汽蝕、軸承故障和/或潤滑不良。軸承故障最明顯的反應(yīng)是軸承（或潤滑油）溫度偏高、軸承座振動偏大。   

為此，可以通過對軸承（和/或潤滑油）溫度、軸承座（或泵軸）振動、泵的流量和/或揚程（壓力）等進行監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集，來評估泵的運行狀態(tài)。

美國水力協(xié)會ANSI/HI 9.6.9-2013標(biāo)準(zhǔn)^[4]給出了設(shè)備典型監(jiān)測控制系統(tǒng)和典型定速泵的狀態(tài)監(jiān)測裝置示意圖，分別見圖1和圖2。

圖1  設(shè)備典型的監(jiān)測控制系統(tǒng)示意圖

圖例說明：

#1  密封泄漏監(jiān)測                                    

#2  泵出口壓力監(jiān)測

#3  泵進口壓力監(jiān)測                                

#4a 軸承箱振動速度監(jiān)測

#4b 軸承溫度監(jiān)測                                  

#5  功率監(jiān)測

#6  流量監(jiān)測                                            

#7  轉(zhuǎn)速監(jiān)測

#8  泵進口溫度監(jiān)測

圖2  典型定速泵狀態(tài)監(jiān)測示意圖

目前，盡管很多組織（如用戶、設(shè)備制造商/供應(yīng)商、工程公司等）跟蹤、收集了大量的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，但卻很少有效地使用這些數(shù)據(jù)。

基于歷史及實時獲取的運行數(shù)據(jù)來預(yù)測設(shè)備（零部件）剩余壽命的方法通常有兩種：基于老化/磨損的預(yù)測方法和直接壽命預(yù)測方法^[5]。

1）基于老化/磨損的預(yù)測方法

通過對一臺或多臺類似泵（或類似部件）的老化/磨損過程的觀察，以對未來的老化路徑進行回歸，直至滿足規(guī)定的故障標(biāo)準(zhǔn)。該方法采用的是統(tǒng)計模型，可從觀察到老化/磨損隨時間的演變，然后將預(yù)測的老化/磨損狀態(tài)與故障標(biāo)準(zhǔn)進行比較，估算出剩余壽命。

與直接壽命預(yù)測相比，基于老化/磨損的預(yù)測方法提供了更多信息和更透明的結(jié)果。然而，基于老化/磨損的預(yù)測需要確定老化/磨損指標(biāo)和確定故障閾值，這在實際工程應(yīng)用中實施起來有些困難，尤其是在老化/磨損軌跡不規(guī)則的情況下，可能會引入很多不確定性和誤差源。

2）直接壽命預(yù)測方法

該方法是典型的人工智能技術(shù)，通過軟件中設(shè)定的算法來直接反映監(jiān)測數(shù)據(jù)與剩余壽命之間的關(guān)系。

用戶/設(shè)備制造商/供應(yīng)商不再依賴數(shù)據(jù)專家來對所收集的實時和歷史數(shù)據(jù)進行分析、比對，可直接應(yīng)用（包含專家系統(tǒng)及特定算法的）預(yù)測性維護系統(tǒng)對設(shè)備進行跟蹤，分析并評估設(shè)備及其在整個運行過程的健康狀況。

在發(fā)生不可逆的故障或停機之前得到準(zhǔn)確的診斷、優(yōu)化零件的更換或大修間隔時間、提高設(shè)備運行可靠性/可用性并延長設(shè)備壽命。還可根據(jù)實際情況或需要，優(yōu)化設(shè)備運行方式、提高運行效率、降低運營成本。同時，系統(tǒng)將根據(jù)診斷結(jié)果的重要程度，對維護和操作人員的操作進行優(yōu)先排序，并給出糾正措施的建議^[6]。

現(xiàn)階段，離心泵最佳的維護方式是預(yù)防性維護和預(yù)測性維護相結(jié)合。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、機器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，未來，預(yù)測性維護將會變得越來越準(zhǔn)確。

5.  面臨的困難及挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，預(yù)測性維護所面臨的困難及挑戰(zhàn)主要有：

高昂的開發(fā)成本為預(yù)測性維護系統(tǒng)的推廣和普及帶來了一定的困難。

2）缺乏經(jīng)驗及歷史數(shù)據(jù)

由于缺乏足夠的運行經(jīng)驗及設(shè)備大量歷史運行數(shù)據(jù)，無法在較短的時間內(nèi)開發(fā)出較準(zhǔn)確的預(yù)測性維護系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外同行均還處于探索階段。

3）分析軟件（算法）人才短缺

算法是預(yù)測性維護系統(tǒng)的核心，國內(nèi)外目前比較缺乏這方面的人才。

目前，國內(nèi)外基本上都是通過泵（組）振動的發(fā)展趨勢來預(yù)測軸承或機械密封的壽命。但引起泵（組）振動的因素卻很多（如轉(zhuǎn)子不平衡、軸發(fā)生彎曲或變形、動/靜零部件發(fā)生摩擦、零部件老化/磨損、泵組靠近臨界轉(zhuǎn)速運行、零部件松動或損壞、潤滑不良、汽蝕、泵偏離高效區(qū)運行等），如何從眾多因素中總結(jié)出一種科學(xué)合理的算法、使得相關(guān)零部件的預(yù)測壽命與實際使用壽命較接近，這是實現(xiàn)預(yù)測性維護所面臨的最大挑戰(zhàn)。

4）大企業(yè)自行統(tǒng)籌考慮

由于很多大企業(yè)設(shè)備、系統(tǒng)眾多，通常會統(tǒng)籌考慮、自行設(shè)計或委外或聯(lián)合開發(fā)一套監(jiān)測及維護系統(tǒng)。

5）科技水平及安全問題

許多工廠都有大量的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于設(shè)備采購時科技水平的局限或出于保密或安全考慮，這些數(shù)據(jù)沒有（提供給泵制造商）對變化率、診斷或預(yù)測進行分析，沒有轉(zhuǎn)化為增強的故障診斷、識別及剩余壽命的預(yù)測。

6.  結(jié)論

1）預(yù)測性維護將成為一種趨勢，并最終會成為維護方式的未來。

2）預(yù)測性維護需要實時和大量歷史數(shù)據(jù)的支撐。

3）現(xiàn)階段，離心泵最佳的維護方式是預(yù)防性維護和預(yù)測性維護相結(jié)合。

參考文獻

[1] David Kimera, Fillemon Nduvu Nangolo, Predictive maintenance for ballast pumps on ship repair yards via machine learning, Transportation Engineering 2 (2020) 100020

[2] ANSI/API STANDAED 610 'Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries', ELEVENTH EDITION, SEPTEMBER 2010

[3] 半畝田，對可靠性設(shè)計的認識，www.91zhiliang.com，91質(zhì)量網(wǎng)，2016-4-26

[4] ANSI/HI 9.6.9-2013, Rotary Pumps – Guidelines for Condition Monitoring, American National Standard

[5] Amin Almasi, Predicting Remaining Useful Life of Pumps & Their Key Components, pumpsandsystems.com, 03/23/2020

[6] Simon Kampa, A Smart Future for Machine Predictive Maintenance, pumpsandsystems.com, September 3, 2019